Method of thermal calculation of heating road covering

Abstract

Safe maintenance of roads, especially in the winter, is a topical issue today. Among the various traditional methods of combating snow and ice on the coating, there is an alternative method, in particular the use of heating coatings. The method of thermal calculation of ecologically safe heating road surface is developed, namely – the problem of thermal conductivity at the set certain thermal boundary conditions and conditions of contact of layers is solved. The heating system of the coating consists of crushed stone-mastic asphalt concrete, a layer of electrically conductive concrete (fibroconcrete), carbon mesh for power supply and a layer of thermal insulation. To solve the thermal problem, we used the hypothesis of temperature distribution in the layers of the heating coating over the thickness of the system. Physico-mechanical and thermophysical characteristics of layers and boundary conditions on their surface are given. A heat flow of a given power acts through the lower surface. Heat transfer occurs from the lower surface to the upper – perpendicular to the package of layers, which makes the problem of heat transfer one-dimensional and stationary. Under given thermal conditions, a stationary one-dimensional temperature field for the layer k=1.2...n is described by the differential equation of thermal conductivity. The accuracy of solving the problems is related to the approximation of the temperature distribution in the layers by expression. When the layer thickness decreases, the accuracy increases, and the continuous functions change in steps. In order to achieve the required accuracy, each of the two layers of the road surface (fiber concrete, ShchMA-15 asphalt concrete) is distributed into several sublayers with constant thermal characteristics. Stationary temperatures at the boundaries of the sublayers at a given heat flux are obtained. The dependence of the heating system temperatures on the heat flow supplied to the electrically conductive grid and the possibility of providing a positive temperature on the coating surface at a negative ambient temperature are determined. The heat-insulating properties of the thermal insulation layer (“Pinosital” bulk foam glass) have been tested and the efficiency of its use in construction has been confirmed.

Безпечне утримання автомобільних доріг, особливо в зимовий період експлуатації, є актуальним питанням сьогодення. Серед різноманітних традиційних способів боротьби зі снігом та ожеледицею на покритті існує і альтернативний спосіб, зокрема використання нагрівних конструкцій покриттів. Розроблено методику теплового розрахунку екологічно безпечного нагрівного дорожнього покриття, а саме вирішено задачу теплопровідності при заданих певних теплових граничних умовах та умовах контакту шарів. Нагрівна система покриття складається із щебенево-мастикового асфальтобетону, шару електропровідного бетону (фібробетону), вуглецевої сітки для подачі струму та прошарку термоізоляції. Для розв’язання теплової задачі використана гіпотеза розподілу температури в прошарках нагрівного покриття по товщині системи. Задані фізико-механічні та теплофізичні характеристики шарів та граничні умови на їхні поверхні. Крізь нижню поверхню діє тепловий потік заданої потужності. Перенос тепла відбувається від нижньої поверхні до верхньої – перпендикулярно пакету шарів, що робить задачу теплопереносу одновимірною та стаціонарною. За заданих теплових умов стаціонарне одновимірне температурне поле для шару k=1.2...n описується диференційним рівнянням теплопровідності. Точність розв’язання задачі пов’язана з апроксимацією розподілу температури в шарах. Зі зменшенням товщини шарів точність зростає, а неперервні функції змінюються на ступеневі. З метою досягнення необхідної точності кожен із двох шарів дорожнього покриття (фібробетон, щебенево-мастиковий асфальтобетон) розподіляється на декілька підшарів із постійними тепловими характеристиками. Отримано стаціонарні температури на границях підшарів за заданого теплового потоку. Визначено залежність температур нагрівної системи від теплового потоку, який подається на електропровідну сітку, та можливість забезпечення додатної температури на поверхні покриття за від’ємної температурі зовнішнього середовища. Перевірені теплоізоляційні властивості шару термоізоляції (насипного піноскла «Піноситал») та підтверджено ефективність його використання в конструкції.